在模拟旋转机械时，可通过研究振动对机器性能的影响来有效避免机器故障。为了实现这一目标，一种方法是使用新的“转子动力学模块”，它是 COMSOL Multiphysics® 软件“结构力学模块”的扩展模块。在本文中，我们将介绍“转子动力学模块”，带领你了解它的实用特征和功能，助你改进旋转机械设计流程。
转子动力学建模有哪些用途？
首先，我们简要介绍一下转子动力学建模。如之前发布的一篇博客所述，旋转机械具有广泛的应用，从航空航天技术到发电，遍及众多行业，转子动力学分析十分有助于加强旋转机械的功能，提高安全性。
举例来说，假设你要确保一台发电机（一种旋转机械）避免由设计欠佳导致的不稳定、破坏性共振和故障问题。这时你可以执行转子动力学分析，研究影响发电机物理特性的振动现象，以及由发电机的旋转和结构引起的振动加剧。
发电机（左)及其三维模型（右)。
借助仿真软件，你能够提高转子动力学研究的准确性和简易性。现在，加上“转子动力学模块”，这一过程会变得更加方便灵活。
“转子动力学模块”会帮助你设置正确的设计参数，分析共振、应力、应变以及横向和扭转振动效应对旋转机械的的影响，由此使响应保持在可接受的运行限制范围内。此外，你能进一步了解固定和移动的转子组件如何影响产品设计，并计算临界速度、固有频率和振型。在下一节中，我们将深入探讨一些具体的优点和功能。
为什么要使用“转子动力学模块”？
“转子动力学模块”的突出优势之一是其出色的灵活性。你可以轻松地自定义仿真分析，方便地研究旋转装配或整个结构的特定组成部分。
上述操作的第二项可通过“转子动力学模块”的实心转子接口来实现，在有限元建模中，此接口使用三维 CAD 几何表示转子和实体单元。你可以通过研究旋转装配中的所有组件来生成最精确的结果。在分析转子的应力和变形时，你不需要去模拟整个系统，这样会提高仿真的精度。为了计算整个域中的应力分布和变形场分布，你必须将转子模拟为实心单元。
使用此接口时，你还能引入非线性几何效应，充分描述几何的不对称性，解释旋转软化效应和应力钢化效应等现象。
使用了实心转子接口的曲轴模型，此模型用于分析轴承润滑层中的压力分布以及 von Mises 应力。
如果你希望降低模型的计算成本，该怎么办呢？梁转子接口为旋转机械建模提供了一种计算效率更高的方式。在这个接口中，转子被定义为一条沿转子轴的边，其他旋转机器组件的定义方式是在各自的位置上创建点。
研究旋转机械的基础和轴承
此模块的另一个优点是简化了转子系统中两个关键单元——基础和轴承的建模过程。首先，基础被划分成三个不同的建模选项:
- 固定基础，即不会显著影响转子响应的基础
- 移动基础，即会经受外部振动的基础和轴承
- 柔性基础，即由于自身柔性而影响转子临界转速的基础
液体动压轴承中的压力模型。
安装在基础上方的组件便是轴承。首先介绍轴颈轴承，在“转子动力学模块”中你可以通过两种方式模拟轴颈轴承:
- 使用进行了一定近似处理的集总模型
- 模拟整个液体动压轴承，包括详细分析润滑压力和润滑油流
上述第二种方式利用了三个不同的接口，其中液体动压部分使用完整的雷诺方程计算。液体动压轴承接口详细地模拟了轴颈轴承的性能，并且针对轴颈和轴套之间的润滑油提供了一种简易的模拟方法。实心转子与液体动压轴承和梁转子与液体动压轴承接口都可以分析转子、液体动压轴承以及二者间的相互作用。不过顾名思义，前者使用实体单元来描述转子，后者使用梁来定义近似处理后的转子。
如果你有兴趣模拟推力轴承，“转子动力学模块”为你准备好了一切。此模块包括三种类型的推力轴承及其特征：无间隙轴承、轴承刚度和阻尼系数，以及轴承力和力矩。
选择丰富的研究范围和绘图类型
利用上文介绍的特征和功能，你可以根据具体需求来设计模型。这还不是全部：“转子动力学模块”提供了更多自定义特征，包括多种可选的研究类型。
利用给定的研究类型，你可以轻而易举地模拟陀螺效应；与此同时，振动效应是从共转观察者的角度来模拟的。为此，我们使用了与转子同步旋转的坐标系，因此无需实际旋转转子就能模拟装配，建模流程得到了简化。在共转框架中建模时，可以对旋转系统执行特征频率分析；如果在固定空间框架中观察系统，旋转会呈非线性，故无法进行特征频率分析。适用于静态分析和动态分析的可选研究类型包括:
- 稳态研究
- 特征频率研究
- 频率与时域研究
- 带 FFT 的瞬态研究
请注意，对于转子动力学分析而言，稳态研究的定义和常规分析是不同的。
运行研究之后，你可以将研究结果绘制成图，并与他人一起分享。为此，你需要选择最能直观显示具体结果的绘图类型。下方四张图片对应了四种绘图类型，你可以根据自己的转子动力学分析选择一种进行创建。
回旋图绘制了沿轴的转子振型。
坎贝尔图绘制了转子的固有频率随速度的变化情况。
瀑布图绘制了频谱随转子角速度增加的变化情况。
轨道图绘制了转子在特定点上的位移情况，这些点包含了轴承和圆盘的位置。
单击下方的按钮，了解更多有关“转子动力学模块”的信息。如果你有任何问题，欢迎随时联系我们。祝建模愉快！
更多关于转子动力学分析的资源
- 浏览“COMSOL 博客”，了解有关旋转机械建模的信息：
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